以全新视角看世界：增强现实技术的多元应用与思考

### 以全新视角看世界：增强现实技术的多元应用与思考 #### 1. Kinect技术的魅力与应用 Kinect技术的独特之处在于其操作的便捷性，让技术在使用过程中“隐形”。用户只需站在它前面移动，身体动作就能触发相应反应，成为体验的核心。 - **运动观察与活动预测**：Kinect利用深度感应相机以三维视角观察世界。它通过向房间投射红外光点图案，并测量光点反射回相机传感器芯片的时间来工作。软件处理这些数据，识别视野内的人体形状，如头部或四肢。Kinect采用骨骼模型将人体分解为多个部分和关节，预编程了200多种姿势，能够理解人体运动并预测下一步动作。人类大脑在日常生活中也会不断进行预测，就像Jeff Hawkins所说，大脑是一个存储和回放经验的记忆系统，帮助我们预测接下来会发生的事情。康奈尔大学个人机器人实验室的研究人员利用Kinect编程机器人，使其能够观察人体动作，预测下一步行动，并协助完成如倒饮料、开冰箱门等任务。 - **利用SLAM技术构建3D地图**：机器人要在环境中移动并执行任务，需要创建周围环境的地图并确定自身位置。SLAM（同时定位与地图构建）技术应运而生。此前构建地图的传感器昂贵且笨重，而Kinect提供了经济实惠且轻便的解决方案。Kinect发布后不久，支持Kinect的机器人视频就在YouTube上出现，这些机器人包括能在房间自主飞行的四轴飞行器，以及能在废墟中寻找地震幸存者的机器人。谷歌的自动驾驶汽车也使用SLAM技术，结合自身的相机和传感器，处理地图和传感器数据来确定位置、检测周围物体，并预测物体的下一步动作，做出相应反应。此外，人类也可以使用SLAM技术，MIT开发的可穿戴SLAM设备，最初是为进入未知区域的应急人员设计的。用户胸前佩戴Kinect相机，在移动过程中实时构建数字3D地图，还可以使用手持按钮标注特定位置，并将地图无线共享给场外指挥官。SLAM技术还为游戏玩法带来了新形式，如瑞典的13th Lab在2011年创建的Ball Invasion游戏，将SLAM技术融入AR游戏，玩家手持iPad，能看到周围环境中充满虚拟目标，虚拟元素与现实世界互动，玩家在游戏过程中移动iPad相机，实时构建环境的3D地图。 #### 2. Google Tango与视觉辅助技术 - **Google Tango**：2012年，13th Lab发布了带有SLAM 3D技术的iOS软件开发工具包PointCloud，该实验室于2014年被VR技术公司Oculus收购。如今，SLAM是Google Tango AR计算平台的基础技术之一。2015年，Tango平板电脑开发套件首先面向专业开发者推出，2016年和2017年分别推出了支持Tango的智能手机。Tango使无GPS精确导航、进入虚拟3D世界、实时测量空间以及让游戏了解自身在房间中的位置和周围环境成为可能。谷歌将Tango的目标描述为赋予移动设备对空间和运动的人类尺度理解。随着Tango等技术的发展，智能手机开始像人类一样观察、学习和理解世界，虚拟与现实的界限将更加模糊，技术不仅能理解我们的周围环境，还可能以新的智能和意识帮助我们度过日常生活。 - **帮助盲人重见光明**：Intel RealSense Interaction Design Group的Rajiv Mongia及其团队开发了一款可穿戴设备原型，利用RealSense 3D相机技术帮助视力障碍者更好地感知周围环境。该设备在2015年拉斯维加斯国际消费电子展上现场演示，由一件装有计算机的背心和八个拇指大小的振动传感器组成，传感器分布在胸部、躯干和腿部靠近脚踝的位置，通过无线连接。设备通过获取深度信息感知佩戴者周围环境，并通过触觉反馈技术将信息以振动形式传递给佩戴者。振动强度与物体距离成正比，距离越近振动越强，距离越远振动越弱。Intel的技术项目经理Darryl Adams患有视网膜色素变性，他表示该技术通过触觉增强了他的周边视觉，让他能更好地利用现有的视力。研究团队正在努力使该系统具有可扩展性，让用户能根据自身情况选择合适的传感器和触觉输出组合。Adams希望软件能具备上下文感知能力，未来还可能集成面部识别或眼动追踪等功能。此外，人工智能（AI）也可进一步集成到可穿戴系统中，帮助其更好地理解佩戴者的上下文。 #### 3. 机器学习与声音视觉技术 - **用机器学习教计算机“看”**：OrCam是一款为视力障碍者设计的设备，利用机器学习帮助佩戴者解读和更好地与周围环境互动。它可以读取文本、识别面孔、产品和纸币等。OrCam的相机夹在眼镜上，持续扫描佩戴者的视野，通过细电缆连接到口袋中的便携式计算机。与RealSense设备不同，OrCam使用音频反馈，通过骨传导扬声器将物体、文字或人名读给佩戴者听。佩戴者通过指向感兴趣的物体来让设备识别，如指向书籍，设备会读取内容；沿着电话账单移动手指，设备会读取相关信息。在识别面孔时，无需指向，只需让对方看向自己并说出名字，设备拍摄照片并存储在系统内存中，下次再看到此人时就能识别并说出名字。这是因为研究团队为OrCam提供了数十万张不同类型的人脸图像，让其学习识别个体面孔。 - **用声音训练大脑“看”**：与OrCam不同，vOICe和EyeMusic等视觉技术采用了另一种方法，探索如何训练人类大脑用其他感官“看”，即通过声音来实现视觉感知。神经科学家Amir Amedi的研究表明，先天性失明的人使用vOICe和EyeMusic“看”时，大脑中激活的处理区域与有视力的人相同，只是信号通过听觉皮层进入大脑并被引导到正确的位置。vOICe系统将相机拍摄的图像转换为音频信号，帮助先天性失明的人“看”世界。它由一副带有小相机的太阳镜、一台计算机和一副耳机组成，也可以在智能手机上使用。vOICe软件将周围环境转化为“声景”，相机从左到右连续扫描环境，将每个像素转换为一个哔哔声，频率代表垂直位置，音量代表像素亮度。Amedi和他的同事使用vOICe和EyeMusic训练先天性失明的人“看”，EyeMusic还为不同颜色分配了不同音高，用不同乐器表示不同颜色。Amedi表示，训练大脑以这种方式“看”大约需要70小时，用户会学习识别包括面孔、身体和风景等广泛的物体类别。 以下是Kinect技术应用的流程图： ```mermaid graph LR A[Kinect技术] --> B[运动观察与活动预测] A --> C[利用SLAM技术构建3D地图] B --> B1[深度感应相机观察世界] B --> B2[软件处理数据识别形状] B --> B3[预测人体下一步动作] B3 --> B4[机器人协助人类任务] C --> C1[机器人创建环境地图] C --> C2[确定自身位置] C --> C3[Google自动驾驶汽车应用] C --> C4[人类使用可穿戴SLAM设备] C --> C5[SLAM技术融入游戏] ``` #### 4. 选择自己的现实与Mediated Reality 计算机视觉技术让我们能够过滤现实，选择性地看到或忽略周围世界的事物。 - **相关技术示例**：电视剧《黑镜》曾设想通过按按钮在现实生活中屏蔽他人的能力。2010年，日本开发者Takayuki Fukatsu利用Kinect和OpenFrameworks开发的Optical Camouflage技术，能让人体与背景融合，实现隐形效果。多伦多大学的Steve Mann教授定义了“Mediated Reality”（中介现实）概念，他认为中介现实与虚拟现实或增强现实不同，它允许我们过滤掉不想看到的东西。Mann曾用中介现实技术用个人笔记和指示替代广告。新媒体艺术家Julian Oliver受Mann的启发，开发了“The Artvertiser”项目，这是一个实时将广告牌广告替换为艺术作品的软件平台，他认为这是“改进现实”的例子，是将公共空间从“只读”转变为“读写”平台的尝试。宾夕法尼亚大学的学生创建的“Brand Killer”，是一款定制的头戴式显示器，使用openCV图像处理技术实时识别并屏蔽品牌和标志，被称为“现实生活中的广告拦截器”。 - **思考与展望**：在设计增强现实的未来时，我们需要思考数字过滤、中介和内容替换是否会增强我们的现实，还是会让我们与世界和他人分离。中介现实既有积极的一面，比如可以提供专注的环境，减少干扰，增加人与人之间的互动时刻；也有消极的一面，可能会助长回避和无知的文化。另一个关键问题是谁将创造这个新现实，是个人、企业还是群体，我们将接触到谁的中介现实，以及会出现哪些视觉过滤或拦截工具。就像互联网是一个“读写”的平台一样，增强现实与中介现实结合，也应该如此。增强现实技术有潜力改善人们的生活，激发与周围环境和他人互动的变革性方式，但要对社会产生积极影响，它需要借鉴万维网的原始愿景，做到广泛包容而非排他。 以下是中介现实相关项目的对比表格： |项目名称|开发者|功能|特点| | ---- | ---- | ---- | ---- | |Optical Camouflage|Takayuki Fukatsu|让人体与背景融合实现隐形|利用Kinect和OpenFrameworks技术| |The Artvertiser|Julian Oliver等|实时将广告牌广告替换为艺术作品|将公共空间从“只读”转变为“读写”| |Brand Killer|宾夕法尼亚大学学生|实时识别并屏蔽品牌和标志|被称为“现实生活中的广告拦截器”| 以下是中介现实思考的流程图： ```mermaid graph LR A[中介现实] --> B[积极影响] A --> C[消极影响] A --> D[关键问题] B --> B1[提供专注环境] B --> B2[减少干扰] B --> B3[增加人际互动] C --> C1[助长回避文化] C --> C2[导致无知] D --> D1[谁创造新现实] D --> D2[接触谁的中介现实] D --> D3[视觉过滤工具] ``` ### 以全新视角看世界：增强现实技术的多元应用与思考（续） #### 5. 增强现实技术的综合影响与未来挑战 增强现实（AR）技术的发展带来了诸多积极影响，但也面临着一些挑战。 - **积极影响** - **改善生活质量**：如前文所述，AR技术在帮助盲人感知周围环境、机器人协助人类完成日常任务等方面发挥了重要作用，极大地改善了人们的生活质量。以帮助盲人的设备为例，无论是Intel的RealSense Spatial Awareness Wearable，还是OrCam、vOICe和EyeMusic等，都为视力障碍者提供了新的感知世界的方式，让他们能够更好地融入社会。 - **创新交互体验**：艺术家们利用AR技术创造了许多新的交互体验，如Ball Invasion游戏将SLAM技术融入AR游戏，让玩家能够在现实环境中与虚拟元素进行互动，为游戏产业带来了新的活力。同时，这也激发了人们对于艺术和娱乐的新的创作和体验方式。 - **提升工作效率**：在工业和商业领域，AR技术可以为工人提供实时的信息和指导，帮助他们更高效地完成任务。例如，在维修和装配工作中，工人可以通过AR设备获取详细的操作步骤和说明，减少错误和提高工作效率。 - **面临挑战** - **技术融合难题**：虽然AR技术已经取得了很大的进展，但要实现各种技术的完美融合仍然面临挑战。例如，将人工智能与AR技术结合，让可穿戴设备能够更好地理解用户的上下文和需求，还需要进一步的研究和开发。 - **隐私和安全问题**：随着AR技术的广泛应用，隐私和安全问题也日益凸显。例如，在使用中介现实技术时，如何确保用户的个人信息不被泄露，如何防止恶意软件利用AR设备进行攻击等，都是需要解决的问题。 - **社会和伦理问题**：如前文提到的，中介现实技术可能会助长回避和无知的文化，让人们选择性地忽略现实中的一些问题。此外，谁将控制和创造这个新现实，以及如何确保这个新现实是公平和包容的，也是需要我们思考的社会和伦理问题。 以下是增强现实技术影响和挑战的对比表格： |类别|具体内容| | ---- | ---- | |积极影响|改善生活质量、创新交互体验、提升工作效率| |面临挑战|技术融合难题、隐私和安全问题、社会和伦理问题| #### 6. 增强现实技术的发展趋势 - **硬件设备的小型化和便携化**：未来，AR硬件设备将越来越小型化和便携化，如眼镜式、头戴式等设备将更加轻便和舒适，方便人们随时随地使用。例如，目前已经有一些公司在研发更加轻薄的AR眼镜，这些眼镜不仅具有更好的佩戴体验，还具备更强大的功能。 - **软件功能的智能化和个性化**：AR软件将变得更加智能化和个性化，能够根据用户的需求和习惯提供定制化的服务。例如，软件可以根据用户的位置、时间和活动等信息，自动推送相关的AR内容，为用户提供更加贴心的服务。 - **与其他技术的深度融合**：AR技术将与人工智能、物联网、5G等技术深度融合，创造出更加丰富和强大的应用场景。例如，在智能家居领域，AR技术可以与物联网技术结合，让用户通过AR设备远程控制家中的各种设备；在医疗领域，AR技术可以与人工智能技术结合，为医生提供更加准确的诊断和治疗方案。 以下是增强现实技术发展趋势的流程图： ```mermaid graph LR A[增强现实技术] --> B[硬件设备发展] A --> C[软件功能发展] A --> D[与其他技术融合] B --> B1[小型化] B --> B2[便携化] C --> C1[智能化] C --> C2[个性化] D --> D1[与人工智能融合] D --> D2[与物联网融合] D --> D3[与5G融合] ``` #### 7. 结论 增强现实技术以其独特的魅力和广泛的应用前景，为我们带来了全新的视角和体验。从Kinect技术的运动观察和3D地图构建，到Google Tango的空间理解和视觉辅助技术的发展，再到中介现实技术的探索，AR技术在各个领域都展现出了巨大的潜力。然而，我们也需要清醒地认识到，AR技术在发展过程中还面临着一些挑战，如技术融合难题、隐私和安全问题以及社会和伦理问题等。 在未来的发展中，我们应该积极推动AR技术的创新和应用，同时也要关注其带来的各种问题，采取相应的措施加以解决。我们希望AR技术能够像万维网一样，成为一个广泛包容、促进人类交流和合作的平台，为人类社会的发展做出积极的贡献。让我们共同期待增强现实技术在未来能够创造出更加美好的世界。